Regelung des mitochondrialen Stoffwechsels durch metabolischen Stress und Hypoxie

• Antragsteller: Professor Dr. Heimo Mairbäurl
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253342100

Erhöhte Belastung erfordert eine Anpassung des Stoffwechsels. Auf zellulärer Ebene erfolgt dies durch Biogenese von Mitochondrien um die ATP Produktion zu erhöhen. Allerdings kann ein erhöhter Sauerstoffverbrauch zu Hypoxie führen, wenn der Bedarf nicht durch eine erhöhte Zufuhr abgedeckt wird, wie dies bei Patienten mit ischämischen Erkrankungen der Fall ist. Hypoxie kann zu einer verstärkten Bildung von Sauerstoffradikalen (ROS) und zur Gewebeschädigung führen. Daher stellt eine Verminderung der Aktivität von Mitochondrien einen wichtigen Schutzmechanismus dar. Zellen, die einer erhöhten Anforderung aber inadäquater Sauerstoffversorgung (typische klinische Situationen: ein ischämisches Herz welches gegen einen erhöhten Gefäßwiderstand pumpen muss; eine ödematöse Lunge, die versucht die Ödemflüssigkeit zu resorbieren) sind daher einander gegenläufigen Stimuli ausgesetzt, einem, der die Mitochondrienaktivität erhöht, und einem, der diese vermindert. Klinisch (und gezeigt in unseren preliminären Ergebnissen) scheint Hypoxie zu dominieren. Ein Beispiel ist das hibernating heart.Die Mechanismen, welche in Hypoxie das Signal zur vermehrten mitochondrialen Biogenese unterdrücken, sind unklar. Kenntnis dieser würde dazu beitragen, die klinische Situation eines Patienten besser zu verstehen, was auch zu einer Optimierung der Behandlung beitragen könnte.Daher wollen wir hier die Hypothese testen, dass Hypoxie eine Erhöhung der Mitochondrienaktivität durch metabolische Stimuli verhindert um einer Zellschädigung durch ROS zu verhindern, und wir wollen daran beteiligte Signalwege identifizieren.Die Experimente werden an H-10 Zellen durchgeführt. Diese werden als Modellzellen zum Untersuchen der Signaltransduktion in Kardiomyozyten verwendet. Zellen werden mit AICAR behandelt, welches in der Zelle eine erhöhte AMP Konzentration und damit einen erhöhten ATP-Umsatz und Energiebedarf simuliert. Zellen werden auch Hypoxie exponiert um den wichtigen Faktor des Sauerstoffmangels ischämischen Gewebes zu simulieren. Haupt-Messparameter sind mitochondrialer Sauerstoffverbrauch, mitochondriales Membranpotential und ROS Produktion. Als Maß für die mitochondriale Biogenese wird die AMP-Kinase - PGC1 - Achse und die Expression mitochondrialer Proteine mittels RT-PCR und Western Blot untersucht. Als Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF) abhängige Abschaltmechanismen werden wir BNIP3 abhängige Mitophagie, und die Inaktivierung der Pyruvatdehydrogenase durch die Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase (PDK) untersuchen. Durch Unterdrücken der HIF-1alpha Expression mittels shRNAS, appliziert mit einem etablierten adenoviralen Transfektionssystem, werden wir untersuchen, ob auch HIF-unabhängige Mechanismen zur Inaktivierung der Mitochondrien beitragen. Die benötigten Methoden sind im Labor etabliert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen